JP2015079561A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、固体高分子形燃料電池が知られている。 In recent years, fuel cells that have high energy conversion efficiency and do not generate harmful substances due to power generation reactions have attracted attention. As one of such fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell is known.
固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
燃料極:H2→2H++2e−・・・(1)
空気極:1/2O2+2H++2e−→H2O・・・(2)
アノードおよびカソードは、それぞれ触媒層とガス拡散層が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子膜を挟んで対向配置され、燃料電池を構成する。触媒層は、触媒を担持した炭素粒子がイオン交換樹脂により結着されてなる層である。ガス拡散層は酸化剤ガスや燃料ガスの通過経路となる。
A polymer electrolyte fuel cell has a basic structure in which a polymer electrolyte membrane, which is an electrolyte membrane, is disposed between a fuel electrode and an air electrode. The fuel electrode contains hydrogen and the air electrode contains oxygen. It is a device that supplies the agent gas and generates power by the following electrochemical reaction.
Fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e − (1)
Cathode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O ··· (2)
The anode and cathode each have a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated. The catalyst layers of the electrodes are arranged opposite to each other with the solid polymer film interposed therebetween, thereby constituting a fuel cell. The catalyst layer is a layer formed by binding carbon particles carrying a catalyst with an ion exchange resin. The gas diffusion layer becomes a passage for the oxidant gas and the fuel gas.
アノードにおいては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式(1)に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、カソードにおいては、カソードに供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式(2)に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される。 At the anode, hydrogen contained in the supplied fuel is decomposed into hydrogen ions and electrons as shown in the above formula (1). Among these, hydrogen ions move inside the solid polymer electrolyte membrane toward the air electrode, and electrons move to the air electrode through an external circuit. On the other hand, in the cathode, oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode reacts with hydrogen ions and electrons that have moved from the fuel electrode, and water is generated as shown in the above formula (2). In this way, in the external circuit, electrons move from the fuel electrode toward the air electrode, so that electric power is taken out.
一般に、アノードとカソードとの間には、十分なガスシールが施されているが、固体高分子膜が破損するなどの要因により、燃料ガス、すなわち水素ガスがアノードからカソードへリークし、燃料電池の安全性を損なう場合がある。このため、特許文献1では、アノードの触媒層中に可燃性物質の化学反応に基づいて、臭気物質を放出することにより、ユーザにリークを報知する技術が開示されている。 In general, a sufficient gas seal is provided between the anode and the cathode. However, due to factors such as damage to the solid polymer membrane, fuel gas, that is, hydrogen gas leaks from the anode to the cathode, and the fuel cell. May impair safety. For this reason, Patent Document 1 discloses a technique for notifying a user of a leak by releasing an odor substance into a catalyst layer of an anode based on a chemical reaction of a combustible substance.
特許文献1では、水素リークが生じた場合にユーザに報知することはできるが、ユーザが水素リークに対する適切な対応をしない限り、水素リーク自体が継続したまま燃料電池の発電が行われてしまう。このため、水素リーク時の燃料電池の安全性を確実に向上させることができなかった。 In Patent Document 1, when a hydrogen leak occurs, the user can be notified, but unless the user takes an appropriate measure against the hydrogen leak, the fuel cell generates power while the hydrogen leak itself continues. For this reason, the safety of the fuel cell at the time of hydrogen leak could not be improved reliably.
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、水素リークが生じた場合に、燃料電池の出力電圧を確実に低下させることができる技術の提供にある。 The present invention has been made in view of these problems, and an object thereof is to provide a technique capable of reliably reducing the output voltage of a fuel cell when hydrogen leak occurs.
本発明のある態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、電解質膜の他方の面に設けられたカソードと、を備え、カソードは、電解質膜に接するカソード触媒層と、カソードガス拡散層と、カソード触媒層とカソードガス拡散層との間に設けられ、水素と反応することで、カソード触媒層に含まれる触媒金属を被毒する被毒物質を生成する化合物を有する被毒物質生成層と、を備えることを特徴とする。 One embodiment of the present invention is a fuel cell. The fuel cell includes an electrolyte membrane, an anode provided on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode provided on the other surface of the electrolyte membrane, the cathode being a cathode catalyst layer in contact with the electrolyte membrane; Provided between the cathode gas diffusion layer, and between the cathode catalyst layer and the cathode gas diffusion layer, and reacts with hydrogen to contain a compound that generates a poisoning substance that poisons the catalytic metal contained in the cathode catalyst layer. And a toxic substance generation layer.
本発明によれば、水素リークが生じた場合に、燃料電池の出力電圧を確実に低下させることができる。 According to the present invention, when a hydrogen leak occurs, the output voltage of the fuel cell can be reliably reduced.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
図1は、実施の形態に係る燃料電池10の構造を模式的に示す斜視図である。図2は、図1のA−A線上の断面図である。燃料電池10は、平板状の膜電極接合体50を備え、この膜電極接合体50の両側にはセパレータ34およびセパレータ36が設けられている。この例では一つの膜電極接合体50のみを示すが、セパレータ34やセパレータ36を介して複数の膜電極接合体50を積層して燃料電池スタックが構成されてもよい。膜電極接合体50は、固体高分子電解質膜20、アノード22、およびカソード24を有する。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing the structure of a
アノード22は、アノード触媒層26およびアノードガス拡散層28からなる積層体を有する。一方、カソード24は、カソード触媒層30、被毒物質生成層31およびカソードガス拡散層32からなる積層体を有する。すなわち、本実施の形態では、被毒物質生成層31は、カソード触媒層30とカソードガス拡散層32との間に層状に配設されている。アノード触媒層26とカソード触媒層30は、固体高分子電解質膜20を挟んで対向するように設けられている。
The
アノード22側に設けられるセパレータ34にはガス流路38が設けられている。燃料供給用のマニホールド(図示せず)から燃料ガスがガス流路38に分配され、ガス流路38を通じて膜電極接合体50に燃料ガスが供給される。
A
同様に、カソード24側に設けられるセパレータ36にはガス流路40が設けられている。酸化剤供給用のマニホールド(図示せず)から酸化剤ガスがガス流路40に分配され、ガス流路40を通じて膜電極接合体50に酸化剤ガスが供給される。
Similarly, a
具体的には、燃料電池10の運転時、燃料ガス、たとえば水素ガスを含有する改質ガスがガス流路38内をアノードガス拡散層28の表面に沿って上方から下方へ流通することにより、アノード22に燃料ガスが供給される。
Specifically, during operation of the
一方、燃料電池10の運転時、酸化剤ガス、たとえば、空気がガス流路40内をカソードガス拡散層32の表面に沿って上方から下方へ流通することにより、カソード24に酸化剤ガスが供給される。これにより、膜電極接合体50内で反応が生じる。アノードガス拡散層28を介してアノード触媒層26に水素ガスが供給されると、ガス中の水素がプロトンとなり、このプロトンが固体高分子電解質膜20中をカソード24側へ移動する。このとき放出される電子は外部回路に移動し、外部回路からカソード24に流れ込む。一方、カソードガス拡散層32を介してカソード触媒層30に空気が供給されると、酸素がプロトンと結合して水となる。この結果、外部回路においてはアノード22からカソード24に向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。
On the other hand, during operation of the
固体高分子電解質膜20は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、アノード22およびカソード24の間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。固体高分子電解質膜20は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、たとえば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン(デュポン社製:登録商標)112などがあげられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。固体高分子電解質膜20の典型的な膜厚は50μmである。
The solid
アノード22を構成するアノード触媒層26は、イオン伝導体(イオン交換樹脂)と、金属触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。アノード触媒層26の典型的な膜厚は10μmである。イオン伝導体は、金属触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜20とを接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン伝導体は、固体高分子電解質膜20と同様の高分子材料から形成されてよい。
The
金属触媒は、たとえば、貴金属とルテニウムとからなる合金触媒である。金属触媒に用いられる貴金属として、たとえば、白金、パラジウムなどが挙げられる。金属触媒を担持する炭素粒子として、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノオニオンなどが挙げられる。 The metal catalyst is, for example, an alloy catalyst made of a noble metal and ruthenium. Examples of the noble metal used for the metal catalyst include platinum and palladium. Examples of the carbon particles supporting the metal catalyst include acetylene black, ketjen black, carbon nanotube, and carbon nano-onion.
アノード22を構成するアノードガス拡散層28は、アノードガス拡散基材、およびアノードガス拡散基材に塗布された微細孔層を有する。アノードガス拡散基材は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。
The anode
アノードガス拡散基材に塗布された微細孔層は、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物である。導電性粉末としては、たとえば、カーボンブラックを用いることができる。また、撥水剤としては、四フッ化エチレン樹脂(PTFE)などのフッ素系樹脂を用いることができる。なお、撥水剤は結着性を有することがこのましい。ここで、結着性とは、粘りの少ないものやくずれやすいものをつなぎ合わせ、粘りのあるもの(状態)にすることができる性質をいう。撥水剤が結着性を有することにより、導電性粉末と撥水剤とを混練することにより、ペーストを得ることができる。 The microporous layer applied to the anode gas diffusion base material is a paste-like kneaded product obtained by kneading a conductive powder and a water repellent. For example, carbon black can be used as the conductive powder. As the water repellent, a fluorine resin such as tetrafluoroethylene resin (PTFE) can be used. It is preferable that the water repellent has a binding property. Here, the binding property refers to a property that can be made sticky (state) by joining things that are less sticky or those that tend to break apart. Since the water repellent has binding properties, a paste can be obtained by kneading the conductive powder and the water repellent.
カソード24を構成するカソード触媒層30は、一方の面が固体高分子電解質膜20と接しており、イオン伝導体(イオン交換樹脂)と、金属触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。イオン伝導体は、金属触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜20を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン伝導体は、固体高分子電解質膜20と同様の高分子材料から形成されてよい。担持される金属触媒には、たとえば、白金、コバルト、ロジウム、パラジウムなどの1種またはこれらの2種を合金化したものなどがある。また金属触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノオニオンなどがある。
The
カソード24を構成する被毒物質生成層31は、カソード触媒層30とカソードガス拡散層32との間に設けられている。被毒物質生成層31は、水素と反応することでカソード触媒層30に含まれる金属触媒を被毒する被毒物質を生成する化合物を有していている。具体的には、当該被毒物質としてチオール類が挙げられる。被毒物質は水溶性であることが好ましい。これによれば、カソード触媒層30の金属触媒に被毒物質が到達しやすくなり、金属触媒をより確実に被毒させることができる。なお、カソード触媒層30は、空気に対する十分なガス透過性を有しており、カソードガス拡散層32からカソード触媒層30への空気供給を妨げない。
The poisoning
被毒物質を生成する化合物として、下記式(1)で表される化合物を用いることができる。
固体高分子電解質膜20が破損するなどの原因により膜電極接合体50に水素リークが生じた場合に、被毒物質生成層31において、以下に示す反応が進行する。
M−S−R−S−S−R’+H2→M−S−R−SH+R’−SH
すなわち、M−S−R−S−S−R’からR’−SH(チオール類)が分解して被毒物質として遊離し、カソード24に含まれる水に溶解する。水に溶解した被毒物質(R’−SH)がカソード触媒層30の金属触媒に到達すると、被毒物質が当該金属触媒に結合または吸着することで、金属触媒の活性が低下する。この結果、燃料電池10の出力電圧を低下させ、最終的に、燃料電池10の動作を停止させることができる。なお、R’−SH(チオール類)の水溶性を高める観点から、R’は親水基を有していることが好ましく、R’として、アミノアルキル基、カルボキシル基、水酸基、スルホ基が好適に用いられる。R’−SH(チオール類)の具体例としては、2−アミノエタンチオール、エタンチオールが挙げられる。
When a hydrogen leak occurs in the membrane /
MSR-S-S-R '+ H 2 → M-S-R-SH + R'-SH
That is, R′-SH (thiols) is decomposed from MSRSRSS ′ and released as poisonous substances, and dissolved in water contained in the
図3は、本実施の形態の被毒物質生成層31の層構成を示す部分拡大図である。図3に示すように、式(1)中の金属Mがカソード触媒層30と対向するカソードガス拡散層32の主表面に固定されている。カソードガス拡散層32に金属Mを固定させる手法は特に限定されないが、たとえば、スパッタ法やメッキ法が挙げられる。また、本実施の形態では、上記化合物が自己組織化膜を形成することにより、上記化合物の単分子膜が形成されている。被毒物質生成層31を上記化合物の単分子膜とすることにより、被毒物質生成層31による導電性の低下を抑制しつつ、水素リーク時にカソード触媒金属を被毒させることができる。
FIG. 3 is a partially enlarged view showing the layer structure of the poisoning
図3に示したような、上記化合物の単分子膜からなる被毒物質生成層31の形成方法の一例は、以下のとおりである。
(1)カソードガス拡散層32の主表面にスパッタ法により金属薄膜(たとえば、Au薄膜)を形成する。
(2)金属薄膜の表面の有機物を除去するために、純水を用いて洗浄する。
(3)HS−R−S−S−R’で表されるチオール類(R、R’は、上述したM−R−S−S−R’に含まれるR、R’と同様)の数〜数十μmol/lエタノール溶液に、所定の時間浸漬する。これにより、金属薄膜上にチオール鎖(−R−S−S−R’)の自己組織化単分子膜が形成される。なお、エタノール溶液に代えて、他のアルコール類にチオール類を分散してもよい。また、エタノール溶液の濃度、浸漬時間に制限はないが、形成すべき単分子膜の密度や配向に応じて適宜調製をする。
(4)エタノール、純水の順にチオール類の単分子膜を形成した金属薄膜の表面を洗浄すし、金属と結合しなかったチオール類を洗い流す。
(5)必要に応じて、金属薄膜の表面を窒素雰囲気下で乾燥させる。
An example of a method for forming the poisoning
(1) A metal thin film (for example, an Au thin film) is formed on the main surface of the cathode
(2) In order to remove organic substances on the surface of the metal thin film, cleaning is performed using pure water.
(3) Number of thiols represented by HS—R—S—S—R ′ (R and R ′ are the same as R and R ′ included in M—R—S—S—R ′) Immerse in an ethanol solution of tens of μmol / l for a predetermined time. Thereby, a self-assembled monomolecular film of a thiol chain (—R—S—S—R ′) is formed on the metal thin film. Instead of the ethanol solution, thiols may be dispersed in other alcohols. Moreover, although there is no restriction | limiting in the density | concentration of ethanol solution and immersion time, it adjusts suitably according to the density and orientation of the monomolecular film to be formed.
(4) The surface of the metal thin film on which the monomolecular film of thiols is formed in the order of ethanol and pure water is washed, and the thiols that are not bonded to the metal are washed away.
(5) If necessary, the surface of the metal thin film is dried in a nitrogen atmosphere.
カソード24を構成するカソードガス拡散層32は、カソードガス拡散基材、およびカソードガス拡散基材に塗布された微細孔層を有する。カソードガス拡散基材は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。
The cathode
カソードガス拡散基材に塗布された微細孔層は、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物である。導電性粉末としては、たとえば、カーボンブラックを用いることができる。また、撥水剤としては、四フッ化エチレン樹脂などのフッ素系樹脂を用いることができる。なお、撥水剤は結着性を有することがこのましい。撥水剤が結着性を有することにより、導電性粉末と撥水剤とを混練することにより、ペーストを得ることができる。 The microporous layer applied to the cathode gas diffusion substrate is a paste-like kneaded product obtained by kneading a conductive powder and a water repellent. For example, carbon black can be used as the conductive powder. Further, as the water repellent, a fluorine resin such as tetrafluoroethylene resin can be used. It is preferable that the water repellent has a binding property. Since the water repellent has binding properties, a paste can be obtained by kneading the conductive powder and the water repellent.
以上説明した実施の形態に係る燃料電池10によれば、膜電極接合体50に水素リークが生じた場合に、水素の存在下で被毒物質生成層31から生成する被毒物質によりカソードの触媒金属を被毒させることにより、燃料電池10の出力電圧を低下させることができる。これにより、膜電極接合体50に水素リークが生じた場合において、燃料電池10の安全性を向上させることができる。
According to the
また、本実施の形態の燃料電池10によれば、膜電極接合体50に水素リークが生じた場合に、センサーなどの部材を別途設置することなく、被毒物質生成層31において水素リークに起因して生じる被毒物質により金属触媒が被毒されるため、燃料電池10の装置構成を大型化することなく、簡便な構成にて燃料電池10の安全性を向上させることができる。
Further, according to the
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. Embodiments to which such modifications are added Can also be included in the scope of the present invention.
上記実施の形態では、被毒物質生成層31がカソード触媒層30とカソードガス拡散層32との間の全面に形成されているが、被毒物質生成層31は、カソード触媒層30とカソードガス拡散層32との間に部分的に形成され、被毒物質生成層31が存在しない領域では、カソード触媒層30とカソードガス拡散層32とが接している層構成を採用してもよい。
In the above embodiment, the poisoning
また、複数の燃料電池10を平面配列し、複数の燃料電池10を電気的に直列に接続した平面配列型の燃料電池に適用することができる。なお、燃料電池10をポンプ等の補機を持たないパッシブ型の平面配列型燃料電池に適用する場合には、膜電極接合体50の両側にそれぞれセパレータが設けなくてもよい。
Further, the present invention can be applied to a planar array type fuel cell in which a plurality of
10 燃料電池、22 アノード、24 カソード、26 アノード触媒層、28 アノードガス拡散層、30 カソード触媒層、31 被毒物質生成層、32 カソードガス拡散層、34,36 セパレータ、50 膜電極接合体
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、
前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードと、
を備え、
前記カソードは、
前記電解質膜に接するカソード触媒層と、
カソードガス拡散層と、
前記カソード触媒層と前記カソードガス拡散層との間に設けられ、水素と反応することで、カソード触媒層に含まれる金属触媒を被毒する被毒物質を生成する化合物を有する被毒物質生成層と、
を備えることを特徴とする燃料電池。 An electrolyte membrane;
An anode provided on one surface of the electrolyte membrane;
A cathode provided on the other surface of the electrolyte membrane;
With
The cathode is
A cathode catalyst layer in contact with the electrolyte membrane;
A cathode gas diffusion layer;
A poisoning substance generation layer that is provided between the cathode catalyst layer and the cathode gas diffusion layer and has a compound that reacts with hydrogen to generate a poisoning substance that poisons the metal catalyst contained in the cathode catalyst layer. When,
A fuel cell comprising:
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